现场光谱过程监控制造技术

本申请公开了现场光谱过程监控。如果在制造过程中传感器采用与流动材料一起漂浮的移动探头的形式，而不是仅当过程移动经过传感器固定位置时采样，那么增强过程监控的精确到可被改进。探头包括与流动材料密封隔离的外壳以及用于通过外壳中的窗口将光传送到流动材料上的光源。空间可变光学滤波器(SVF)捕获从流动材料返回的光，并且将光分为成分波长信号的光谱，以用于传送至探测器阵列，这提供了对于每个成分波长信号的功率读数。

【技术实现步骤摘要】
背景在药物、食品、馏出物和化合物的制备中使用的制造过程可以包括混合过程的一些类型的传感器检测，例如光谱、pH以及热量的探询。这些传感器典型地附接至处理容器的壁，并且使用伸出到制造过程中的探头来监控过程的参数。但是，具有固定位置的传感器的固定性质将检测能力限制于传感器的固定位置的附近地区中的产品并且可能不提供关于过程的其他部分的信息。在可变光学滤波器之前可需要准直元件，以防止线性可变滤波器的光谱选择性退化。退化可能发生，这是因为光学滤波器可包括薄介质膜的堆叠，并且薄介质膜的波长选择特性通常取决于射入光的入射角，其可以使薄膜滤波器的波长准确性和光谱选择性变差。但是，对于本公开的设备，其可能有利的是通过消除体积大的透镜而更多的减小了分光仪的尺寸。附图简述图1是探头的顶视图的图示；图2是图1的探头的截面图的图示；图3a至图3d是用于图1的探头的可选形状的图示；图4是图1和图2的探头的等距视图的图示；图5是双SVF滤波器的侧视图的图示；图6是分光仪的侧视图的图示；图7a和图7b分别是用于与图1至图4的探头一起使用的V形混合容器的侧视图和端视图的图示；图8是用于与图1至图4的探头一起使用的沉淀池的图示；以及图9是用于与图1至图4的探头一起使用的过程的图示。具体描述在诸如液体、粉末和气体的流动材料中的各个时间和位置处的谱估计提供了强有力的过程监控能力。图1是根据下文描述的示例实现方案的探头1的顶视图的图示，并且图2是该探头1的截面图的图示。探头1可以是基于空间可变滤波器(SVF)的光谱探头，并且包括外壳2，其在形式上可以是整体的或多个部分的并且可以是密封的，从而使探头1对于在其中其被浸入探头将测量的材料中的应用是稳定的。外壳2可以根据应用而采用若干形状中的一个或其组合，包括但不限于，球形1(图1和图2)、环形1A(图3A)、圆环1B(图3B)、椭球或长椭球(橄榄球)1C(图3C)以及圆柱1D(图3D)。在一个示例实施方案中，外壳2可以由抗腐蚀材料制成或包括抗腐蚀材料，诸如不锈钢或高分子材料。外壳2可以包括在外壳2上分隔开的一个或多个窗口4，或者外壳2可以完全透明，即，连续窗口。在各个示例实现方案中，外壳2可以包括1至20中任意个窗口4或更多个窗口4。一个或多个窗口4使得从周围材料中反射或折射的光能够由在探头1内的对应的线性或空间可变光学滤波器(SVF)7来捕获。反射或折射的光可以源自一个或多个内部光源6、外部光源(未示出)、环境光或其组合。SVF7可以离散或连续的变化。滤波器7可以基于其他色散元件(例如光栅或棱镜)，或者可以基于其他技术(例如，MEMS、染料和颜料、FTIR以及拉曼)。SVF7将捕获的光分成成分波长信号的光谱以用于分析。窗口4可以由任何适合的材料制成，其可选的是透明的以用于期望的传输和反射或折射的波长，例如，蓝宝石、硅、特氟龙、玻璃等。内部光源6可以是任何适合的光源，例如钨或LED光源，用于传输光的需要的波段，例如，可见光(350nm至900nm)和/或近红外光(NIR)。在示例性实现方案中，对于近红外光，光源6可以包括一个或多个板载白炽灯(例如，真空钨灯)，其提供在仪器的作用范围上(例如，对于NIR在900nm至1700nm的范围中，或者在900nm至2150nm的范围中)的宽带照明(例如，超过500nm、超过700nm或超过1000nm)。一个灯6是足够的；但是，两个灯提供了更多的光以用于与其相互作用的样本，从而具有更短的整合时间(integrationtime)。在示例实施方案中，如图2中所示，从外壳2中的开口延伸到外壳2中直到外壳2的出口的导管19可以被提供，使得流动材料(例如，液体)能够在外壳2内的光源6和SVF7之间经过，以用于经由光电探测器8和控制器12生成传输谱。整个导管19对于所传输的光可以是透明的，提供将从光源6传输到SVF7的光的必要窗口，或者导管19的一个或多个部分可以是透明的，提供用于传输的、反射的或折射的光的所需窗口。在每个SVF7之下安装的是光电探测器8的阵列，其形成分光仪15且生成用于每个成分波长信号的能量读数，从而提供反射光的光谱。在每个探头1中的分光仪15的每一个可以具有相同的光谱范围，或者不同的分光仪15可以具有不同的光谱范围，例如重叠或相邻的，以使得来自个体分光仪15的宽的光谱范围能够被拼接在一起。另一个示例实施方案可包括多个光纤束，每个光纤束连接至单个分光仪15以用于光供给以及数据收集。每个束可与不同的窗口4进行通信，并且可以顺序地耦合到单个分光仪15。光电探测器8可以是宽带探测器阵列，例如，多于500nm、多于600nm、或者多于700nm，诸如覆盖950nm至1650nm的砷化铟镓(InGaAs)探测器，如果期望或需要其可以延伸至1150nm至2150nm。对于多个分光仪探头1和多个探头系统，在每个系统内的每个探头1和不同的探头1内的不同的分光仪15可具有光源6、滤波器7以及光电探测器8，其具有不同的光谱范围以覆盖更宽的光谱(例如，紫外光至红外光)以实现测试的宽范围。内框架11可以安装在外壳2的内部以用于支撑全部的SVF7和光电探测器8。内框架11可以由印刷电路板材料、塑料、金属、陶瓷或其他适合的材料中的一个或多个制成或包括这些材料。控制器12可以安装在内框架11之内或之上。控制器12可以包括适当的硬件(例如安装在印刷电路板13上的处理器和存储芯片)连同适当的软件，以用于控制全部的探头特征，包括光谱生成、存储和分析，从而提供自含式光谱探头1以用于浸入材料中，特别是当材料正在移动或在产品中流动时。可被包括在探头1内的其他类型的传感器14包括但不限于pH传感器、温度传感器、压力传感器、电压传感器、速度传感器、加速计、陀螺仪以及板载照相机和前视红外(FLIR)传感器。在各个示例实现方案中，探头1可以包括多个位于探头1的外壳2四处的多个类似的和/或不同的传感器。这些多个传感器14可以使多个数据集能够被探询并且提高各个测量的质量。传感器14中的每一个连同光电探测器8被连接至控制器12以用于控制和数据存储。每个探头1可以包括在外壳2内的一个或多个挡板16，呈现移动到每个分光仪15之前的位置上以及从该位置移开的校准用基准作为校准过程的一部分。在图2中所示的示例实现方案中，挡板16安装在旋转臂17的端部上，该旋转臂17围绕连接至内框架11的中心锚点18旋转。挡板16可以在预定时间之后(例如，至少每隔5分钟的操作)，或者在预定数量的使用之后(例如，至少在每300个光谱读数之后)重新校准每个分光仪15。挡板16包括校准的反射率基准，其将在光源6和窗口4之间旋转以将来自每个光源6的光直接反射至相应的SVF7。来自这个已知基准的反射率然后与先前测试相比较以确定探头1内的照明的任何改变。通信模块21被提供以使控制和/或数据信号能够将在控制器12和基站之间发送(如图7至图9中所示)。在示例实现方案中，基站可以通过过程监控工程师监控。在另一个示例实现方案中，基站可以包括自动过程控制系统。通信模块21可以是无线收发器、有线通信电缆连接、照片收发器或声音收发器中的一个或多个。无线的通信模块21可需要放置在外壳2之内或之外的天线(未示出)以实现与基站的实时数据传送连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探头，包括：密封的外壳；光源，其用于将光传输到材料上；窗口，其位于所述外壳中，其中所述窗口在来自所述材料的光的传输的、折射的或反射的波长中的一个或多个处是光学地透明的；光学滤波器，其用于捕获来自所述材料的传输的、折射的或反射的光，并且用于将所捕获的光分为成分波长信号的光谱；以及探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数。

【技术特征摘要】
2015.08.05 US 14/819,1791.一种探头，包括：密封的外壳；光源，其用于将光传输到材料上；窗口，其位于所述外壳中，其中所述窗口在来自所述材料的光的传输的、折射的或反射的波长中的一个或多个处是光学地透明的；光学滤波器，其用于捕获来自所述材料的传输的、折射的或反射的光，并且用于将所捕获的光分为成分波长信号的光谱；以及探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数。2.根据权利要求1所述的探头，其中，所述光学滤波器包括空间可变光学滤波器，所述空间可变光学滤波器包括：上游空间可变带通光学滤波器；以及下游空间可变带通光学滤波器，其顺序地放置在所述上游可变带通光学滤波器的下游，并且沿着所捕获的光的光学路径以固定的预定距离与所述上游空间可变带通光学滤波器分开，其中，所述上游空间可变带通光学滤波器和所述下游空间可变带通光学滤波器中的每一个具有带通中心波长，所述带通中心波长至少沿着横向于所述光学路径的共同的第一方向以相互协调的方式变化，以及其中，在预定接收角外部的、沿着所述上游空间可变光学滤波器的每个带通中心波长的光比在所述预定接收角内部的光衰减得更多。3.根据权利要求1所述的探头，其中，所述外壳包括从由球形、圆柱形、长球形、椭圆形和环形构成的组中选择的形状。4.根据权利要求1所述的探头，其中，所述外壳包括布置在所述外壳的外侧上的结构特征。5.根据权利要求4所述的探头，其中，所述结构特征包括浅凹、短截棒、半圆或矩形肋、脉络状物或指状物中的一个或多个。6.根据权利要求1所述的探头，还包括：控制器，其用于存储对于每个成分波长信号的功率读数；以及通信设备，其用于将所述功率读数传输至远程基站。7.根据权利要求6所述的探头，其中，所述通信设备是无线通信设备。8.根据权利要求1所述的探头，还包括用于确定所述探头的确切位置或取向的定位系统追踪器。9.根据权利要求1所述的探头，还包括用于在所述探头浸入所述材料中时推进所述探头的推进系统。10.根据权利要求1所述的探头，还包括用于在所述探头浸入所述材料中时调整所述探头的浮力的浮力调节系统。11.根据权利要求1所述的探头，还包括储藏室和所述外壳上的舱口，所述舱口可操作以打开和关闭所述储藏室。12.根据权利要求11所述的探头，还包括用于存储对于每个成分波长信号的功率读数的控制器；其中，所述控制器包括用于在所述功率读数达到预定水平时发出信号使所述舱门打开且释放来自所述储藏室的物质的编程。13.根据权利要求6所述的探头，其中，所述通信设备是有线通信设备；并且其中所述外壳被连线至建造物。14.根据权利要求1所述的探头，还包括用于从所述窗口除掉碎片的窗口清洁器。15.根据权利要求1所述的探头，其中，所述光源安装在所述外壳内部以用于通过所述窗口将光传送至所述材料上。16.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·F·卡钦斯，马克·K·范贡藤，柯蒂斯·R·胡斯卡，保拉·史密斯，保罗·G·库姆斯，
申请(专利权)人：唯亚威通讯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US